CN1383572A - 用于高效产生光辐射的光学磁控管,以及1/2λ引发的磁控管振荡模式工作 - Google Patents

用于高效产生光辐射的光学磁控管,以及1/2λ引发的磁控管振荡模式工作 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学磁控管,其包括一具有半径rc的圆柱形阴极,和一具有半径ra的阳极,且此阳极与阴极共轴对齐以限定一具有宽度wa=ra－rc的阳极－阴极空间。该光学磁控管还包括电气插头,用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极－阴极空间建立电场,并且设置至少一个磁铁,以在阳极－阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场。提供多个谐振腔,每个谐振腔具有一沿限定阳极－阴极空间的阳极表面的开口。从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响,以遵循通过阳极－阴极空间的路径,并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场。将每个谐振腔设计成在具有波长λ的频率处谐振,并且阳极表面的周长2πra大于λ。

Description

用于高效产生光辐射的光学磁控管，以及1/2λ 引发的磁控管振荡模式工作
技术领域
本发明一般涉及光源，更准确地说涉及一种光学磁控管形式的高效光源。
发明背景
磁控管在本领域中是公知的。长久以来磁控管一直被用作微波能的高效光源。例如，在微波炉中通常采用磁控管产生足够的微波能量来加热和冷却不同食物。磁控管的使用在高效工作方面是合乎需要的，从而避免了与过量功率消耗、热损耗等相关的高成本。
微波磁控管采用恒定磁场以产生旋转电子空间电荷。空间电荷与多个微波谐振腔相互作用而产生微波辐射。迄今为止，一般磁控管的最大工作频率限于大约100千兆赫(Ghz)以下。以前之所以没有考虑更高频率的工作实际上可能存在多种原因。例如，为了使磁控管具有非常小的尺寸将要求极高的磁场。另外，非常小的微波谐振器的制造是相当困难的。这些问题在以前使得更高频率磁控管的制造成为不必要和不实际的。
鉴于前面提到的与传统微波磁控管相关的缺点，强烈需要工作频率超过100千兆赫的适合实际应用的磁控管(即光学磁控管)。例如，在本领域中强烈需要一种与传统类型光源(例如白炽灯、荧光灯、激光器等)相比能够产生以更高效率产生光的光源。这种光源将应用于包括，但不限于，光通信，商业和工业照明，制造业等在内的多种应用中。
发明概述
本发明提供一种适用于工作在迄今为止传统磁控管未能达到的频率的光学磁控管。本发明的光学磁控管能够在红外和可见光波段内的频率处产生高效率、高功率电磁能量，频率可能会扩展至诸如紫外、X-射线等的更高频率波段。结果，本发明的光学磁控管可以用做多种应用中的光源，这些应用如长距离光通信、商业和工业照明、制造业等。
本发明的光学磁控管的优点在于它不需要极高的磁场。相反，此光学磁控管优选使用具有更高谐振强度的磁场，最好是从永久磁铁得到的磁场。磁场强度决定了阴极与阳极之间相互作用区域(在此也称之为阳极-阴极空间)内电子空间电荷的旋转半径。阳极包括多个小的谐振腔，根据所需要的工作波长设定谐振腔的尺寸。提供一种方法以便强制多个谐振腔工作在所谓的磁控管振荡方式。特别是迫使每个谐振腔与其紧邻的谐振腔产生异相的磁控管震荡pi-半径。设置输出耦合器或耦合器阵列而将光辐射从谐振腔中耦合出来，以便输送有用的输出功率。
本发明还提供若干用于制造这种光学磁控管的适合的方法。这些方法包括沿限定阳极-阴极空间的阳极的壁产生非常大量的谐振腔。例如使用各种半导体器件生产过程中通常所使用的光刻和/或微加工技术来形成谐振腔。给定的阳极可以包括数万、数十万或者甚至数百万个基于这些技术的谐振腔。通过迫使谐振腔以磁控管振荡方式震荡，与传统磁控管相比可能提高功率级和效率。
根据本发明的一个方面，提供一种光学磁控管。该光学磁控管使用多个谐振腔将电能转换成光辐射。
根据本发明的一个特定方面，提供一种光学磁控管。该光学磁控管包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极和阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间中提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中该谐振腔中的每一个均被设计成在波长λ近似为10微米或更小的频率处谐振。
根据本发明的另一个方面，提供一种光学磁控管，该光学磁控管包括：一具有半径rc的圆柱形阴极；一具有半径ra的环形阳极，该阳极与该阴极共轴对齐以便限定一具有宽度wa＝ra-rc的阳极-阴极空间；用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以便在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中将每个谐振腔设计成在具有波长λ的频率处谐振，并且阳极表面的周长2πra大于λ。
根据本发明的又一个方面，一种光学磁控管包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间中提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面形成的N个谐振腔的高密度阵列，N个谐振腔中的每一个均具有一开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中N为大于1000的整数。
按照本发明的另一个方面，一种磁控管包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场；多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；一环绕阳极外圆周的公共谐振器，多个谐振腔中的至少某些谐振腔被耦合到该公共谐振器，以引发磁控管振荡模式工作。
根据本发明又一个方面，提供的一种磁控管，其包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置在阳极的相对端的一对磁铁，以在阳极-阴极空间中形成通常垂直于该电场的直流磁场；以及多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中该阳极包括至少一个上阳极和一个下阳极，将上阳极的谐振腔中的每一个设计成在具有第一波长的频率处谐振，并且将下阳极的谐振腔中的每一个设计成在具有不同于第一波长的第二波长的频率处谐振。
按照另一个方面，提供一种形成用于光学磁控管的阳极的方法。该方法包括：在由第一种材料制成的圆柱形芯的外表面周围形成一光刻胶层的步骤；图案化并蚀刻该光刻胶层以便形成多个从圆柱形芯的外表面径向延伸以限定多个槽的叶片的步骤；使用不同于光刻胶和第一种材料的第二种材料涂覆圆柱形芯和叶片的步骤；以及从镀层上去除叶片和圆柱形芯以便产生具有多个槽的圆柱形阳极的步骤。
按照又一个方面，提供一种形成用于光学磁控管的阳极的方法。该方法包括：形成一层拟由其制成阳极的材料的步骤；图案化并蚀刻该层以便形成具有沿阳极内圆周形成的多个谐振腔的圆柱形阳极的第一层的步骤；形成至少一个后续的材料层，并且重复图案化和蚀刻步骤，以便增加阳极的垂直高度的步骤。
根据本发明另一方面，提供一种磁控管，其包括由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极，具有用于在阳极与阴极之间施加电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头，具有所设置的至少一个磁铁以在阳极-阴极空间内提供磁场。该阳极包括并排设置的多个楔形物以形成一中空形状的圆柱体，每个楔形物包括一局部限定一谐振腔的第一凹槽，该谐振腔具有一暴露在阳极-阴极空间中的开口。
根据本发明的又一方面，提供一种磁控管，包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；具有用于在阳极与阴极之间施加电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；以及设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内形成通常与该电场垂直的磁场。该阳极包括多个相互层叠在顶上的垫圈状层，以便形成一其中具有阳极-阴极空间的中空状圆柱体，并且多个层中的每一层包括沿内径的多个凹槽，其与多个层中其他层的凹槽对准，以沿圆柱体的轴限定多个谐振腔，每个谐振腔具有一开向阳极-阴极空间的开口。
根据本发明的再一方面，提供一种磁控管，包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极与阴极之间施加电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头，设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内形成通常垂直于该电场的磁场；多个谐振腔，其中每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；以及一环绕阳极外圆周的公共谐振器，至少多个谐振腔中的某些谐振腔通过耦合端口与公共谐振器耦合，以引起磁控管振荡模式工作，其中至少某些耦合端口相对其他耦合口引入一附加的1/2λ延迟，其中λ为该磁控管的工作波长。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造用于磁控管的阳极的方法。该方法包括：并排地设置多个楔形物，以便形成一其中具有阳极-阴极空间的中空形圆柱体，并且在每个楔形物中形成一第一凹槽，该第一凹槽至少部分地限定一具有暴露在阳极-阴极空间中的开口的谐振腔。该方法还包括彼此在顶上形成多个垫圈状层，以便形成一其中具有阳极-阴极空间的中空状圆柱体，并且在多个层中的每一层中形成多个沿内径的凹槽，该凹槽与多个层中其他层的凹槽对准以便沿圆柱体的轴限定多个谐振腔，每个谐振腔具有一开向阳极-阴极空间的开口。
为了前述和相关目的实现，本发明在权利要求中包括此处充分描述并特别指出的特征。下面的描述和附图详细阐述了本发明的某些实施例。不过这些实施例是象征性的，可以采用多种方法实现本发明的原则。从本发明下面参见附图的详细描述中本发明的其他目的、优点和新颖性将是显而易见的。
附图的简要说明
图1为外围情况视图(environmental view)，说明使用根据本发明的光学磁控管作为光通信系统一部分；
图2为根据本发明一个实施例的光学磁控管的截面图；
图3为沿图2中线I-I所取的光学磁控管的截面俯视图；
图4a，4b和4c为根据本发明的阳极的部分放大截面图，每个阳极包括根据本发明一个实施例的谐振腔；
图5为根据本发明另一实施例的光学磁控管的截面图；
图6为根据本发明又一实施例的光学磁控管的截面图；
图7a为根据本发明再一实施例的光学磁控管的截面图；
图7b为图7a的光学磁控管的截面俯视图；
图8为根据本发明多波长实施例的光学磁控管的截面图；
图9为根据本发明另一实施例的光学磁控管的截面图；
图10为阳极的部分放大透视图，表示输出耦合；
图11a，11b和11c示意性地表示出被设计工作于TEM20模式的本发明的实施例；
图11d，11e和11f示意性地表示出被设计工作于TEM10模式的本发明的实施例；
图12a和12b表示用于形成根据本发明一个实施例的阳极结构的步骤；
图13表示另一种用于形成根据本发明阳极结构的方法；
图14a-14c表示用于形成根据本发明环形光学谐振器的步骤；
图15是根据本发明基于楔形物的实施例而形成的阳极结构的俯视图；
图16是根据本发明用于形成图15的阳极结构的示意性楔形物的俯视图；
图17和18分别为偶数和奇数楔形物的侧视图，用于根据本发明形成图15的阳极结构；
图19为根据本发明阳极结构的H-平面弯曲实施例的示意性截面图；
图20为根据本发明用于形成图19的阳极结构的示意性楔形物的俯视图；
图21为根据本发明用于形成图19的阳极结构的偶数楔形物的侧视图；
图22和23为根据本发明用于形成图19的阳极结构的另外奇数楔形物的侧视图；
图24为根据本发明阳极结构另一个H-平面弯曲实施例的示意性截面图；
图25为根据本发明用于形成图24的阳极结构的示意性楔形物的俯视图；
图26是根据本发明用于形成图24的阳极结构的偶数楔形物的侧视图；
图27为根据本发明用于形成图24的阳极结构的奇数楔形物的侧视图；
图28为根据本发明的阳极结构的另一种H-平面弯曲的示意性截面图；
图29为用于形成图28的阳极结构的每隔一个奇数楔形物的侧视图；
图30为根据本发明的阳极结构的基于分散(dispersion-based)的实施例的示意性截面图；
图31为根据本发明用于形成图30的阳极结构的示例性楔形物的俯视图；
图32和33为根据本发明用于形成图30的阳极结构的偶数和奇数楔形物的侧视图；
图34为根据本发明的阳极结构的E-平面弯曲实施例的侧视图；
图35为根据本发明用于形成图34的阳极结构的线性的E-平面层的俯视图；
图36为根据本发明的图35的线性的E-平面层的部分放大视图；
图37为根据本发明用于形成图34的阳极结构的弯曲的E-平面层的俯视图；以及
图38为图37中弯曲的E-平面层的部分放大视图。
最佳实施例的详细描述
现在将参见附图详细描述本发明。在附图中使用相同参数表示相同元件。
首先参见图1，图1表示一光通信系统20。根据本发明，光通信系统20包括一光学磁控管22。该光学磁控管22用做输出光的高效光源，可以用于逐点光学地传送信息。虽然此处从应用于光通信系统20的角度描述光学磁控管22，但应理解光学磁控管22具有多种其他应用。本发明考虑到其他和所有这些应用。
如图1所示，光学磁控管22例如用于输出光辐射24，如红外、紫外或可见光范围中的相干光。光辐射最好是其波长相当于100Ghz或更高频率的辐射。在一个更特别的实施例中，光学磁控管22输出其波长在大约10微米到大约0.5微米范围内的光辐射。根据一更加特别的实施例，光学磁控管输出其波长在大约3.5微米至大约1.5微米范围内的光辐射。
光学磁控管22所产生的光辐射24通过调制器26，调制器26用于使用已知技术来调节辐射24。例如，调制器26可以是在被传送的数据的基础上由计算机控制的光快门。调制器26有选择地透过辐射24，作为被调制的辐射28。接收装置30接收并随后解调该被调制的辐射28，以便获得发送数据。
通信系统20还包括一电源32，用于向光学磁控管22提供工作直流电压。正如下面将要详细解释的，光学磁控管22靠阴极与阳极之间所提供的直流电压来工作。在一个示例中，工作电压具有30千伏(kV)到50kV的量级。不过，应该理解也可能使用其他工作电压。
现在参见图2和3，所示为光学磁控管22的第一实施例。磁控管22包括一具有半径rc的圆柱形阴极40。在阴极40的各端包括端帽41。阴极40被包围在中空圆柱形阳极42内，阳极42与阴极40共轴对准。阳极42具有一大于rc的内半径ra，以便在阴极40的外表面48与阳极42的内表面50之间限定一相互作用区域或阳极-阴极空间44。
端子52和54分别通过绝缘体55，并与阴极40电连接以提供能量对阴极40进行加热，并向阴极40提供一负(-)高压。阳极42通过端子56被电连接到高压源的正极(+)或地端子。在操作过程中，电源32(图1)通过端子52和54向和从阴极40施加加热丝电流。同时，电源32通过端子54和56向和从阴极40和阳极42施加直流电压。该直流电压产生一通过阳极-阴极空间44且在阴极40与阳极42之间径向扩展的直流电场E。
光学磁控管22还包括一对设置在阳极42各端的磁铁58和60。该磁铁58和60被设计成在阳极-阴极空间44内沿与电场E垂直的轴向形成一直流磁场B。如图3所示，在阳极-阴极空间44内磁场B指向页面内。在示例中的磁铁58和60是永久磁铁，产生例如2千高斯量级的磁场B。我们知道可以使用其他装置(例如电磁铁)来产生磁场。不过，例如在需要光学磁控管22提供某种程度的便携性的情形中一个或多个永久磁铁58和60尤为可取。
相交的磁场B和电场E影响从阴极40发射的电子，使电子在通过阳极-阴极空间44时沿曲线路径运动。在足够大直流磁场B的作用下，电子将不会到达阳极42，而是返回到阴极40。
如下面关于图4a-4c的更加详细的描述，例如阳极42的内表面50包括多个沿圆周分布的谐振腔。在一最佳实施例中，由沿轴方向延伸的偶数个等间隔槽形成谐振腔。由于从阴极40发射的电子在通过阳极-阴极空间44时遵循前面提到的弯曲路径，并紧邻这些谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场。更特别地，从阴极40发射的电子形成旋转电子云，并邻紧谐振腔通过。电子云在谐振腔中激发出电磁场，导致谐振腔振荡或“跳动”。这些持续的振荡场反过来对通过的电子加速或减速，导致电子云聚集，并形成电荷的旋转辐(rotating spoke)。
通常已知这种包括阴极、阳极、相交电场和磁场，以及谐振腔的操作与工作在低于100Ghz频率的传统磁控管相关。不过，如上面所提到的，在过去由于多种原因未能实现更高频率的工作。本发明通过提供工作在高于100Ghz频率处的实用装置而克服这种缺点。与传统磁控管不同，本发明不限于很少数量的产生所需输出辐射的谐振腔。而且，本发明不限于在装置内要求极高磁场和功率密度的非常小的装置。
更特别地，光学磁控管22在阳极42内包括相当大数量的谐振腔。最好使用诸如光刻、显微加工、电子束光刻、活性离子刻蚀等高精度技术形成这些谐振腔，下面将要进行更完全地描述。磁控管22具有与工作波长λ相比相对较大的阳极42，使得内阳极表面50的等于2πra的周长实质上大于工作波长λ。结果产生一种光学磁控管22，使得该磁控管在一定意义上例如在不要求极高磁场和能够与微波段中所使用的传统磁控管具有相同尺寸的意义上均是切实可行的。
在图2的示例中，每隔一个谐振腔包括一耦合端口64，用于将能量从各个谐振腔耦合到公共谐振腔66。耦合端口64由通过阳极42的壁所设置的孔或槽形成。谐振腔66围绕阳极42的外圆周形成，由阳极42的外表面68和在谐振腔结构72中形成的腔限定壁70确定。如图2和3所示，谐振腔结构72形成安装在阳极42周围的圆柱形管套。设置谐振腔66以便与各个谐振腔的耦合端口64对准。谐振腔66用于限定工作在磁控管振荡模(pi-模)的多个谐振腔，如下面关于图4c的更充分的讨论。
另外，腔结构72可以用于为阳极42提供结构支撑，在许多场合下阳极42非常薄。万一在高温中操作，腔结构72还便于冷却阳极42。
公共谐振腔66包括至少一个或多个输出端口74，用于将能量从谐振腔66通过透明输出窗口76耦合出来，作为输出光辐射24。输出端口74由通过谐振腔结构72的壁设置的孔或槽形成。
最好与此处所描述的其他实施例一起构成图2和3所示的结构，，使阳极-阴极空间44和谐振腔66保持在真空内。这防止灰尘或碎屑进入装置，否则灰尘或碎屑会干扰操作。
图4a表示根据一通用实施例的阳极42一部分的截面图。如同所了解的，沿与阳极42和阴极40的公共轴垂直的平面作出截面。为了易于说明，没有表示出阳极42的曲率。如图所示，阳极42内的每个谐振腔由在阳极42的表面50处形成的槽80表示。在示例中，考虑到谐振，槽80具有等于λ/4的深度d，其中λ表示在所需工作频率下输出光辐射24的波长。槽80被分开λ/2或更小的距离，并且每个槽具有等于λ/8或更小的宽度w。槽宽度w应该为λ/8或更小，允许在磁控管振荡模式工作中电场反转以前电子通过槽80，如图所示。
选择阳极42中槽80的总数量N，使得通过阳极-阴极空间44的电子最好以实质上小于光速c的速度运动(例如近似为0.1c至0.3c的量级)。槽80沿阳极42的内圆周均匀间隔，选择总数量N，以便为了允许磁控管振荡模式工作总数量为偶数。槽80的长度可以具有某些自由性，不过最好与阴极40的长度相同。为了易于描述，可以考虑将N个槽80在阳极42的圆周周围从1到N顺序标记。
图4b表示所设计的阳极42的特定实施例，以便在所需要工作频率下促进pi-模振荡。前面提到的槽80实际上由长槽80a和短槽80b组成。如图4b所示，以1/4λ间隔交替设置长槽80a和短槽80b。在最佳实施例中长槽80a与短槽80b的深度比为2∶1，平均深度为λ/4。因此，长槽80a的深度dl等于λ/3，短槽80b的深度ds等于λ/6。在微波波段这种长槽和短槽设置被称为“上升的太阳(rising sun)”结构。这种结构促进了pi-模振荡，其中长槽80a相位滞后，短槽80b相位超前。
虽然在图4a和4b中没有表示出，不过由各个槽80所形成的一或多个谐振腔将包括一或多个耦合端口64，其将能量从槽80耦合到公共谐振腔66中，例如如图2和3所示。或者，如例如下面关于图9和10的实施例所讨论的，耦合端口64用于从各个槽80中将能量直接通过输出窗口耦合出去。最好相对槽80设置耦合端口64，彼此同相以便相长相加。或者可以使用一或多个移相器调节来自耦合端口64的辐射的相位，使所有辐射同相。
图4c表示阳极42的另一个特殊实施例，将其设计成促进所需工作频率处的pi-模振荡。在图2和3的实施例中特别表示出阳极42的该实施例。根据本发明，以公共谐振腔66形式的外面稳定的谐振器用于促进pi-模振荡。特别是，通过各个耦合端口64将每隔一个槽80(即或者每个偶数槽或每个奇数槽)耦合到公共谐振腔66，使所有谐振同相。槽80间隔为λ/2，而每个槽的深度d等于λ/4。
如将理解的那样，此处所描述的每个实施例中的槽80代表微谐振器。下面的表格提供用于根据本发明光学磁控管22的示例性尺寸等。在实际依尺寸制造的装置的情形中，阴极40的半径rc为2毫米(mm)，阳极42的内半径ra为7mm，长度为1厘米(cm)，磁场B为2千高斯，电场E电势为30kV至50kV，在图4c结构的情况下关于槽80的尺寸如下，例如：
表
    工作波长λ(mm)     槽的数量N 槽的宽度W(微米)   槽深度d(微米)
    102     87,964     1.25     2.5
    3.5×10-3     251,324     0.4375     0.875
    1.5×10-3     586,424     0.1875     0.375
    0.5×10-3     1,759,274     0.0625     0.125
这种磁控管22的输出功率将为1千瓦(kW)量级的连续输出，和1兆瓦(MW)脉冲。另外，效率为85％的量级。从而，本发明的磁控管22非常适合于利用高效率、高功率输出的任何应用，如通信、照明、制造等。
可以使用多种不同于半导体制造工业的技术形成由槽80所形成的微谐振器或谐振腔。例如，现有的微加工技术适合于形成宽度大约为2.5微米的槽。虽然下面描述了特殊的制造技术，不过通常知道通过激光束可控刻蚀产生具有所需宽度和深度的槽80，可以产生导电性中空圆柱形阳极体。或者，在由一系列彼此层叠在上的导电层所形成的阳极42中可以使用光刻技术，齿状物代表槽80。为了更高频率应用(例如，λ＝0.5×10-4mm)，可以使用半导体工艺中用的电子束(e-束)技术在阳极42中形成槽80。不过，广义上说，本发明不限于任何特定制造方法。
现在参见图5，根据本发明另一实施例的光学磁控管通常表示为22a。除了下面的不同以外，该实施例与图2和3的实施例完全相同。该实施例中的公共谐振腔66具有一弯曲的外壁70，以便形成环状谐振腔66。取决于工作频率，外壁70的曲率半径为2.0cm至2.0m的量级。环状谐振腔66用于提高公共谐振腔66在所需工作频率处控制pi-模振荡的能力。
注意，来自例如偶数槽80的每个耦合端口64在阳极42的中心处与弯曲外壁70的顶点水平对准。这趋向于将谐振的光辐射朝向阳极42的中心聚焦，减小从圆柱形阳极42端部的光泄露。奇数槽80不包括这种耦合端口64，从而被驱动与偶数槽80异相振荡。
图6说明通常表示为22b的光学磁控管的另一实施例。除了下面的不同以外图6的实施例与图5的实施例完全相同。在该特定实施例中，磁控管22b包括两个环状公共谐振器。更特别地，该磁控管22b包括在谐振腔结构72中形成的第一环状谐振腔66a和第二环状谐振腔66b。在总的N个槽80中，偶数槽80中的每一个通过耦合端口64a被耦合到第一腔66a。在总的N个槽80中，奇数槽80中的每一个通过耦合端口64b被耦合到第二腔66b。
第一谐振腔66a是较高频率谐振腔，将其设计成在稍高于所需工作频率的频率处锁定谐振模式。第二谐振腔66b是较低频率谐振器，将其设计成在稍低于所需频率的频率处锁定谐振模式，使得整个装置在相当于所需工作频率的中间平均频率处振荡。第一谐振腔66a内较高频率模式将趋向于关于所需工作频率相位超前，而第二谐振腔66b中的低频率模式将趋向于关于所需工作频率相位滞后。从而，将导致磁控管振荡模式工作。
可以从输出端74a和74b中的一个或两个形成输出辐射24。由于来自两个输出端的输出彼此异相，可能需要输出端74a和74b其中之一包括一移相器(图中没有示出)。
如同前一实施例，腔66a和66b的外壁70a和70b的曲率半径分别在2.0cm至2.0m量级。不过，对于壁70a和70b将曲率半径分别设计成较短和较长，以便对于所需工作频率提供所需的高/低频操作。
在另一实施例中，可以在阳极42的周围形成多于两个谐振腔66，将操作限制为pi-模。本发明不必限于特定数量。另外，可以将图6实施例中的腔66a和66b设计成均工作在所需工作频率下，而不是如前面所描述和所理解的那样偏离所需工作频率。
现在参见图7a和7b，其表示由22c表示的光学磁控管的另一实施例。该实施例说明每隔一个的槽80(即所有偶数槽或所有奇数槽)可能包括多于一个耦合端口64，以将能量从各个谐振腔耦合到公共谐振腔66。例如，图7a表示在阳极42中形成的偶数槽80在各个槽80中交替具有三个和四个耦合端口64。如同在其他实施例中，耦合端口64将能量耦合到公共谐振腔66，以便更好地控制振荡模式并引起磁控管振荡模式工作。如图7a和7b中也表示出，光学磁控管22c可以包括多个输出端口74a，74b，74c等，用于通过输出窗口76从谐振腔66中耦合输出光辐射24。通过如此处所描述的那样形成输出端口74和/或耦合端口64的阵列，如理解的那样可能会控制耦合量。
虽然图7a中没有示出，不过应当理解例如可以用图5实施例中的环形腔代替公共谐振腔66。而且，我们知道可以通过此处所描述的多种特征和实施例的任意组合来构成根据本发明的光学磁控管22，即(i)可以根据所需工作波长将包括多个小谐振腔80的阳极结构的尺寸设计成如光波长那样小；(ii)一用于限制谐振腔80工作在所谓的pi-模的结构，从而限定每个谐振腔80在与最相邻谐振腔异相的磁控管振荡弧度振荡；以及(iii)用于从谐振腔耦合光辐射以输送有用输出功率的装置。此处讨论了不同的槽80结构，还讨论了用于限制谐振腔的一个或多个公共谐振腔的不同形状。另外，此处的描述提供通过多种形式从谐振腔耦合功率的装置，以及耦合端口64和输出端口74的排列。另一方面，本发明在广义上不限于此处所描述的特定结构。
参见图8，其表示本发明的垂直层叠的多频率实施例。在该实施例中，将阳极42分成上阳极42a和下阳极42b。在上阳极42a中，相应于第一工作波长λ1设计槽80a的宽度、间隔和数量。另一方面，相应于与第一工作波长λ1不同的第二工作波长λ2，设计下阳极42b中槽80b的宽度、间隔和数量。
例如上阳极42a中的偶数槽80a包括耦合端口64a，其将来自在上阳极42a中形成的旋转电子云的能量耦合到上公共谐振腔66a。同样，下阳极42b中的偶数(或奇数)槽80b包括耦合端口64b，该耦合端口将来自在下阳极42b中形成的旋转电子云的能量耦合到下公共谐振腔66b。上公共谐振腔66a和下公共谐振腔66b用于在上阳极42a和下阳极42b中在各自频率λ1和λ2处引起pi-模振荡。来自公共谐振腔66a和66b的能量分别经过一或多个输出端口74a和74b通过输出窗口76输出。
从而，图8中表示的本发明提供一种垂直层叠两个或多个阳极谐振器的方法，每个阳极谐振器具有不同的工作波长(例λ1和λ2)。可以在一对磁铁58和60之间垂直层叠阳极(例如上阳极42a和下阳极42b)。从而该层叠装置可以发射多个频率。例如，在工作在可见光频率的磁控管中，可以将在红光、绿光和蓝光波长处振荡的阳极谐振器垂直层叠在一个装置中。可以分别利用输出光作为彩色显示的一部分，或者组合利用输出光，例如产生白光源。
图9和10说明本发明的一个实施例，其中提供通过输出窗口76经过耦合端口64的直接输出耦合。图10说明阳极-阴极空间内的电子云通过时，旋转电子云是如何在槽80的开口和其中的耦合端口64处产生边缘场90的。耦合端口的开口处的边缘场90作为输出辐射场92从阳极42的对边被发射出去。
图9说明了如图10所表示的输出辐射场92通过输出窗口76被直接输出的实施例。在此处所描述的其他实施例中，通过耦合端口64的辐射首先以与图10中所表示的相同方式被引导到公共谐振腔66中。如前面所讨论的，公共谐振腔66提供改进的pi-模控制。然而，本发明提出的实施例可能不太有效，不过是有用的，其中耦合端口64直接向输出窗口76提供输出辐射。在这种情形中，如图9所示，不需要槽80中有耦合端口64，其不同于朝着输出窗口76直接输出辐射。不过，如所了解的那样，图10的耦合原理适用于此处所讨论所有耦合端口64和输出端口74。
图11a-11c说明根据本发明被设计成工作于TEM20模式的光学磁控管22e的实施例。该实施例与前面关于图5所描述的实施例相似，在于包括具有弯曲外壁70的环状谐振腔66。该实施例与图5的实施例的区别在于偶数槽80具有与弯曲外壁70的顶点对准的单个耦合端口64a，如图11b所示。从而，偶数槽80趋向于激发谐振腔66的中心位置(spot)100。另一方面，奇数槽80包括两个在弯曲外壁70的顶点相对两侧垂直偏移的耦合端口64b和64c，如图11c所示。因此，奇数槽80趋向于激发谐振腔66的外部位置102。结果在环状谐振腔66中产生TEM20单模。中心位置100的电场方向(例如在图11b和11c为伸出到页面外)与外部位置102的电场方向(例如进入页面内)相反。每半个振荡周期电场改变一次方向。因而偶数槽80具有它们关于奇数槽80异相驱动的电场，槽80被强迫工作于所需的磁控管振荡模式。
图11d-11f表示光学磁控管22f的实施例，在这种情形中，根据本发明将该光学磁控管设计成工作在TEM10模式中。再次指出，该实施例与前面关于图5所描述的实施例相似，在于它包括具有弯曲外壁70的环状谐振腔66。该实施例与图5的实施例的区别在于偶数槽80具有向上偏离弯曲外壁70顶点的耦合端口64a，如图11e所示。结果，偶数槽80趋向于激发谐振腔66的上部位置104。
相反，奇数槽80包括向下偏离弯曲外壁70顶点的耦合端口64b，如图11f所示。结果奇数槽80趋向于激发谐振腔66的下部位置106。在这种情形中，结果在环状谐振腔66中产生TEM10单模。上部位置104的电场方向(例如在图11e和11f中为进入页面)与下部位置106的电场方向(例如从页面伸出)相反。可以在环绕谐振腔66的圆周在弯曲外壁70的顶点处形成一小凸起108或“阻流片”，有助于抑制TEM00模。上部和下部电场每半个振荡周期改变一次方向。因而偶数槽80具有其关于奇数槽80异相驱动的电场，槽80被迫工作在所需的pi-模中。
图11a-11f表示根据本发明的两种可能的单模。不过，应该理解，在不偏离本发明精神的条件下可以使用其他TEM模式进行pi-模控制。
就制造而言，如了解的那样可以由多种导电金属中的任何一种来形成磁控管22的阴极40。阴极40可以是实心块，或者简单地由诸如铜、金或银的导电金属涂覆而成，或者例如由螺旋形缠绕的敷钍钨灯丝制成。或者，可以从微结构构成冷场发射阴极40，如还可以使用碳纳米管。
阳极42由导电材料和/或涂覆有诸如铜、金或银的非导电材料制成。除了谐振腔66的壁和输出端口74被涂覆有或者由诸如铜、金或银的导电金属形成以外，谐振腔结构72可能是导电性或者可能是不导电的。阳极42和谐振腔结构72可以分别形成，或者如了解的那样作为一个整体部件而形成。
图12a和12b说明使用电子束蚀刻方法制造阳极42的示例性方法。选择圆柱形中空铝棒110的半径等于阳极42的所需内半径ra。例如围绕棒110的圆周形成一层正型光刻胶112，如图12a所示。光刻胶层112将沿棒110的轴的长度l应该具有所需阳极42的长度的量级(例如1cm至2cm)。控制光刻胶层112的厚度使之等于所需的谐振腔或槽80的深度。
然后将棒110放置在用于制造半导体的电子束图案化装置内的夹紧装置114中，例如图12b所示。然后控制电子束116，通过平行于棒110的轴曝光沿光刻胶层112的长度方向的各条线进行图案化。如将被理解的那样，这些线将用于形成谐振腔或阳极42中槽80的侧壁。控制线以使其宽度等于相邻槽80之间的间隔(例如在如图4a和图4c的实施例的情形中大小为λ/2-λ/8)。线彼此之间分开所需的槽80的宽度w(例如在如图4a和4c的实施例的情形中为λ/8)。
然后显影和蚀刻图案化的光刻胶112，以便去除光刻胶层112的曝光部分。这就产生了具有几个由光刻胶形成的细条纹或叶片的棒110，分别相当于在阳极42中形成的槽80。然后将棒110和相应的条纹或叶片铜电镀成相当于阳极42的所需外径的厚度(例如2mm)。如将理解的那样，将在条纹或叶片周围形成铜电镀直到镀层最终基本均匀地覆盖棒110。
然后通过使用任何已知可能的溶剂在铝/光刻胶和铜之间有选择地化学溶解铝和光刻胶，从铜镀层去除铝棒110和由光刻胶制成的条纹或叶片。与被称为熔模铸造的技术相似，剩余的铜镀层形成具有所需谐振腔或槽80的阳极42。
应当理解，可以使用负型光刻胶经过相同技术形成等价的结构，对于槽等形成反转图案。
可以使用相同技术使用多层光刻胶形成如图4b中具有不同深度的槽80。图案化并蚀刻第一层光刻胶112以便在铝棒110上形成相当于长槽80a和短槽80b(图4)的条纹或叶片。第一层光刻胶112的厚度ds相当于短槽的深度。在第一图案化的层上形成第二和随后的光刻胶层112。图案化第二层112以便形成用于构成长槽80的条纹或叶片的剩余部分。换句话说，第二层112具有厚度dl-ds。可以相同方式形成多个耦合部分64，也就是使用附加的光刻胶层112以在所需位置限定耦合端口64。然后将棒110和光刻胶例如镀铜，以便形成具有随后被溶解掉的棒110和光刻胶的阳极42。对于图4c的实施例，如可理解的那样，可以将用于形成耦合端口64的相同技术用于前面所描述的制造技术中。
图13说明使用已知微加工/光刻技术形成作为垂直叠加层的阳极42的方法。在衬底上形成第一金属层，如铜。然后在铜上形成一层光刻胶，随后图案化和刻蚀(例如用电子束)铜，从而在与阳极42的轴垂直的平面内确定出谐振腔或槽80。随后在最初层上形成铜层并进行刻蚀，以便产生叠层，从而得到所需的阳极42长度。如可理解的那样，例如可以在铜层之间形成氧化物或其他材料的的平面化层，然后去除该层，以避免当沉积随后铜层时填充已存在的槽80。并且，可以按需要使用这种氧化物来限定耦合部分64，然后通过有选择地氧化物/铜刻蚀去除该氧化物。
如可理解的那样，可以使用半导体器件制造中使用的的已知光刻和微加工技术获得对于阳极42和相应谐振腔(例如槽80)所需的分辨率。广义而言，本发明不限于此处所描述的特定方法。
图14a-14c说明一种用于形成具有此处所描述的环状谐振腔结构72的方法。例如，加工铝棒120使之在中间具有凸起122，如图14a所示。将棒120上部和下部124的半径设置成近似等于阳极42的外半径，将围绕其安装结构72。加工凸起122使其具有相当于将被形成的结构72的顶点的半径。
然后，将凸起122弄成圆形以便如前所述确定壁70的弯曲环状。然后使用铜电镀如此加工的棒112，以在其周围形成结构72，如图14b所示。随后从铜结构72上化学溶解掉铝棒120，得到如图14c所示的结构72。例如，可以依照需要使用微加工(例如通过激光加工)形成输出端口74。
现在参见图15-38，涉及适用于根据本发明不同实施例的光学磁控管的多种不同阳极结构42。如将被理解的那样，图15-38所示的阳极42可以代替前面所讨论的其他实施例中的阳极42，例如图5-9的实施例。另外，每个阳极42具有通常的中空圆柱形，其内表面50限定了阳极-阴极空间，在阳极-阴极空间中阴极40被共轴设置(图中没有示出)。取决于特定实施例，围绕阳极42的外圆周通过如前面实施例中的谐振腔结构72(图中没有示出)形成一或多个公共谐振腔66(图中没有示出)。由于仅阳极42结构本身相对于此处所讨论的多种实施例的相应部分存在区别，为了简化起见，下面的讨论限于阳极42。本领域技术人员将会理解，本发明涉及如前面所讨论的采用任何和所有不同阳极结构42的光学磁控管。而且，应该理解，在光学范围以外的带宽中阳极结构42可以具有部分磁控管效用，被认为是本发明的一部分。
特别是，图15-18表示根据本发明比较例的阳极42。如图15所示，阳极42为具有内表面50和外表面68的中空圆柱形。与前面所讨论的实施例相似，沿内表面50形成N多个(其中N为偶数)槽或腔80。再次指出，槽80作为谐振腔。如前面所讨论的，槽或腔80的数量和尺寸取决于所需工作波长λ。通过多个饼状楔形元件150形成阳极42，此处简单地将其称为楔形物。当一个挨一个堆放时，楔形物150构成了阳极42的结构，如图15所示。
图16为示例性楔形物150的俯视图。每个楔形物150具有等于(2π/N)弧度的角宽度φ，和内半径ra，内半径ra等于阳极42内半径ra。楔形物150的外半径ro相当于阳极42的外半径ro(即到外表面68的径向距离)。每个楔形物150还包括沿楔形物150的顶点形成的凹槽152，其与相邻楔形物150的侧壁154一起，，限定了N个谐振腔80其中的一个。
如图16所示，每个凹槽152的长度等于d，该长度等于每个谐振腔80的深度。另外，每个凹槽152具有一宽度w，该宽度w等于每个谐振腔80的宽度。因此，当一个挨一个放置时，楔形物150在阳极42的内表面50的周围形成N个谐振腔80。如前面所描述的，在所需工作波长的基础上选择数量N、深度、宽度和谐振腔80之间的间距，从而选择楔形物150的尺寸。如所理解的那样，设置每个楔形物150的长度L(例如参见图17)，等于阳极42的所需高度。
如前面所讨论的实施例，可以将围绕阳极42圆周的楔形物150称为偶数和奇数楔形物150。偶数楔形物150包括产生偶数腔80的凹槽152，奇数楔形物150包括产生奇数腔80的凹槽152。图17和18分别表示偶数和奇数楔形物150a和150b的正视图。如图17和图18所示，偶数和奇数楔形物150a和150b的正视图分别包括一凹槽152。不过，另外，每个奇数楔形物150b包括一耦合端口凹槽164，如图18所示。每个耦合端口凹槽164与相邻楔形物150a的后侧壁154一起构成耦合端口64，作为单模波导，用于将能量从奇数腔80耦合到公共谐振腔72。注意到在图15中作为例子仅表示出一个这种耦合端口64。可以理解，如同每个楔形物150的前侧壁166那样，每个楔形物150的后侧壁154基本为平的。从而，凹槽152和164与相邻楔形物150的后侧壁154一起形成所需的谐振腔80和耦合端口64。
可以用多种不同类型的导电材料，如铜、铝、黄铜等，如果需要通过电镀(例如金)制成楔形物150。或者可以由某些非导电材料制成楔形物150，至少在非导电材料的形成谐振腔80和耦合端口64的区域中电镀导电材料形成楔形物。
可以使用多种已知制造或生产技术中任何一种来形成楔形物150。例如可以使用精密铣削机加工楔形物150。或者可以使用激光切割和/或加工装置形成楔形物。作为另一种选择，可以使用光刻技术来形成所需的楔形物。这种楔形物的使用允许按照需要对各个尺寸进行精确控制。
在形成楔形物150之后，以适当顺序(即偶数-奇数-偶数-奇数...)排列楔形物以便形成阳极42。可以通过相应的夹紧装置和楔形物软焊、硬焊或其他结合成整体的方法固定楔形物150。
图15-18的实施例与图5实施例的相似之处在于仅偶数/奇数腔80包括耦合端口64，而奇数/偶数腔80不包括这种耦合端口64。以相同方式，每隔一个腔80到公共谐振腔66的耦合用于引发磁控管振荡模式工作。
图19-23涉及阳极42的另一实施例。就以楔形物为基础的结构而言，该实施例通常是相似的，从而此处为了简化仅讨论差别。图19说明了示意性截面图中的阳极42。在该特定实施例中，每个谐振腔80包括一或多个耦合端口64，每个耦合端口起单模波导的作用，用于在谐振腔80和一或多个公共谐振腔66之间耦合能量，以便引发进一步的磁控管振荡模式工作。由奇数楔形物150b形成的耦合端口64关于由偶数楔形物150a形成的耦合端口引入一附加的1/2λ延迟，以便提供适当的相位关系。
图19说明了在该特定实施例中，奇数楔形物150b包括呈辐射状延伸并以形成相应谐振腔80的凹槽152与阳极42的外表面68之间H-平面方向呈一定角度的凹槽164b。另一方面，每个偶数楔形物150a包括一对凹槽164b，每个凹槽呈辐射状延伸并与构成相应谐振腔80的凹槽152与外表面68之间的中轴垂直。(理解到相对其预定方向改变如图19中所示的偶数楔形物150，以提供凹槽164a的清晰视图)。
选择在奇数楔形物中所形成的凹槽164b的角度，使得每个凹槽164b与凹槽164a相比都引入一附加的1/2λ延迟。从而，在由偶数和奇数楔形物150所形成的谐振腔80之间耦合的辐射相对公共谐振腔66具有适当的相位关系。
图22和23说明了图19的实施例中的奇数楔形物150b在向上的方向角和向下方向角之间的交替。如所理解的，这允许在阳极-阴极空间和公共谐振腔66(图中没有示出)内能量关于轴方向更加均匀地分布。
图24-27说明阳极42的另一实施例，使用由奇数楔形物构成的耦合端口64的H-平面弯曲，相对偶数楔形物构成的耦合端口64引入一附加的1/2λ延迟。偶数楔形物150a与图19-23实施例中的楔形物相似。不过，奇数楔形物150b包括一对凹槽164b，每个凹槽164b相对H-平面呈一定角度。设计每个凹槽164b，以与相邻楔形物150a的后侧壁154一起构成单模波导。凹槽164b沿H-平面弯曲，以便与偶数楔形物中的凹槽164a相比每个凹槽164b提供一附加的1/2λ延迟。从而，为了进行磁控管振荡模式工作，在谐振腔80与一或多个环绕的公共谐振腔66(图中没有示出)之间形成所需的相位关系。另外，因为每个凹槽164b包括一对弯曲170和172，由凹槽所形成的耦合端口64通过沿阳极42的轴方向均匀分布。因此，与图19-23的要求两个不同奇数楔形物150b1和150b2的实施例相比，该实施例可能更合适。还理解到如图24所示相对其预定取向改变偶数楔形物150a，以便提供凹槽164a的清楚视图。
图28和29说明了另一个阳极42的基于楔形物结构的实施例。该实施例在以下方面与图19-23的实施例不同。偶数楔形物150a包括三个凹槽164a而不是两个。奇数楔形物150b1和150b2包括两个凹槽164b而不是一个。如所理解的，根据本发明在各个楔形物150中所形成的凹槽数量不限于任何特定数字。如所理解的，可以在所需的阳极-阴极空间与公共谐振腔66之间的耦合量的基础上选择凹槽164的数量。还知道相对其预定取向改变如图28所示的偶数楔形物150a，以便提供凹槽164a的清楚视图。
现在参见图30-33，其表示阳极42的另一个实施例，利用由耦合楔形物150a所形成的耦合端口64中与奇数楔形物150b相比附加的1/2λ延迟引发磁控管振荡模式工作。不过，在该实施例中，通过调节凹槽164的相对宽度(与引入H-平面弯曲相比)提供附加的1/2λ延迟。更特别是，每个奇数楔形物150b包括一对凹槽164b，与相邻楔形物150a的后侧壁154一起构成作为耦合端口64的单模波导。另一方面，偶数楔形物150a包括具有宽度174的凹槽164a，与凹槽164b相比，宽度174较宽。如波导理论中公知的，可以选择适当选择的凹槽164a的较宽宽度174，提供与凹槽164b相比一附加的1/2λ延迟。因此，可以获得由奇数和偶数楔形物所形成的耦合端口64之间磁控管振荡模式工作所需的相位关系。
图34-38涉及阳极42的一个实施例，利用耦合端口64的E-平面中的弯曲为磁控管振荡模式工作提供所需的附加1/2λ延迟。如图34所示，阳极42由一个层叠在另一个顶上的多个层180构成，多个层180之间存在或不存在间隔元件(图中没有示出)。将层180称为偶数层180a或奇数层180b，在层中偶数层180a与奇数层180b交替存在。偶数层180a包括形成耦合端口64的线性波导，用于在阳极-阴极空间与一或多个公共谐振腔66(图中没有示出)之间进行能量耦合。奇数层180b包括波导，在E-平面内弯曲并构成耦合端口64，也用于在阳极-阴极空间与一或多个公共谐振腔66之间进行能量耦合。奇数层180b中的波导是弯曲的，以便与偶数层180a中的波导相比引入一附加的1/2λ延迟，提供所需的磁控管振荡模式工作。
图35和36说明了示例性的偶数层180a。每层180a由N/2个波导元件182组成，其中如上所述N为所需谐振腔80的数量。波导元件182均形成为图36所示的楔形。一个挨一个地设置波导元件182，如图35所示，以便形成一层，限定阳极42的内表面50和外表面68。每个楔形物的尖端包括一个槽，在该槽中限定一谐振腔80。另外，相邻波导元件182相分隔开，以便在其中形成谐振腔80，如图36所示。如所理解的那样，当将层180层叠在一起时，对齐每层180中所形成的谐振腔80。可以在元件182中形成对齐孔或标记184，有助于在层之间进行这种对齐。
如图36更好地表示的那样，波导元件182之间的间隔限定了一辐射状锥形波导，用做偶数谐振腔80与阳极42的外表面68之间的耦合端口64。设置波导元件182的厚度，使得耦合端口64具有相当于所需工作波长λ的H-平面高度。类似地，对于所需波长λ选择谐振腔80的尺寸和波导元件182之间的间隔。
波导元件182由导电材料如铜、多晶硅等制成，以便限定谐振腔和耦合端口64的导电壁。或者，波导元件182可以由非导电材料制成，至少在限定谐振腔和耦合端口64的壁的部分镀有导电镀层。
在组成阳极42的层叠中相邻层180之间形成间隔元件186(图36中表示出一部分)。间隔物186至少在提供层180中耦合端口64的导电E-平面壁的相应部分是导电性的。间隔物186可以是内半径等于阳极42内半径的垫圈。
图37和38说明示例性的奇数层180b。奇数层180b在结构上与偶数层相似，区别在于波导元件182是弯曲的，以便提供形成耦合端口64的锥形波导的E-平面方向中所需的弯曲。计算出弯曲的特定曲率半径，以便对于磁控管振荡模式工作相对耦合层180a的耦合端口64提供所需的附加1/2λ延迟。并且，奇数层180b中的耦合端口64用于将奇数谐振腔80耦合到阳极42的外表面68，而不是如偶数层180a中那样将偶数谐振腔80耦合到外表面68。
如所理解的，图34-38的实施例特别适合已知光刻制造方法。可以通过在直线波导层180a之间插入E-平面弯曲层180b，制成大阳极42。可以使用光刻技术来形成和增加层。可以得到具有所需分辨率的甚至工作在更高光波长处的适当尺寸。波导元件182例如可以由铜或多晶硅形成。如果需要，可以在形成耦合端口64的波导中填充适当的电介质，以提供层180之间的平面化。如所理解的，层180之间的间隔物186可以由铜、多晶硅等形成。
在另一实施例中，每个层180通常与耦合端口64相同，耦合端口64从每个谐振腔80呈辐射状向外朝着阳极的外表面68延伸。不过，在这种情形中，相应于奇数谐振腔80的耦合端口64的高度大于相应于偶数谐振腔80的耦合端口64的高度。高度差相当于前面关于图30-33实施例所讨论的宽度的差别，对于磁控管振荡模式工作设置高度差以便相对偶数谐振腔80的耦合端口64产生所需的附加1/2λ延迟。
因而将会理解，本发明的光学磁控管适用于在迄今为止传统磁控管不可能的频率处工作。本发明的光学磁控管能够在红外和可见光波段范围内产生高效率，高功率电磁能量，可以超出该频率范围扩展到诸如紫外、X-射线等更高频率。结果，本发明的光学磁控管可以在多种应用中用做光源，这些应用如长距离光通信、商业或工业照明、制造业等。
虽然已经参见某些最佳实施例说明并描述了本发明，显然本领域技术人员在理解说明书的基础上会想到其等效设计和变型。例如，虽然提供槽作为最简单形式的谐振腔，可以在不偏离本发明范围的条件下在阳极中使用其他形状的谐振腔。
另外，虽然已经详细描述的用于提供磁控管振荡模式工作的最佳技术，其他技术也属于本发明范围之内。例如，可以在槽之间提供交叉耦合。槽80分开1/2λ，以在相邻槽80之间设置耦合通道。从槽到槽的耦合通道尺寸为3/2λ。在另一实施例中，在阳极结构的圆周周围嵌入多个光谐振器，通过在相应的一个光谐振器中耦合成单一振荡模式，阳极结构具有被限定成异相振荡的非相邻槽。在此描述的基础上其他方法将是显而易见的。
另外，了解到此处所描述的采用弯曲表面和TEM模控制磁控管振荡模式工作的环状谐振器可以用在不同的传统磁控管中。更特别是，在非光学磁控管中可以使用本发明与环状谐振器相关的特征控制pi-模振荡，如那些工作在低于100Ghz微波频率处的磁控管。
本发明包括所有这些等价和变型，本发明范围仅受所附权利要求范围的限制。

Claims (77)

1.一种光学磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常与该电场垂直的直流磁场；以及
多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；
其中将每个谐振腔设计成在波长λ近似为10微米或更小的频率处谐振。
2.如权利要求1所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括在阳极中形成的多个基本上等深度的径向槽。
3.如权利要求1所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括在阳极中形成的至少两种不同深度交替出现的径向槽。
4.如权利要求1所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括多个径向槽，并且多个径向槽中的至少一部分被耦合到一公共谐振器上。
5.如权利要求4所述的磁控管，其中该公共谐振器包括至少一个环绕阳极外圆周的公共谐振腔。
6.如权利要求5所述的磁控管，其中该公共谐振器包括单个公共谐振腔，并且在阳极中形成的多个径向槽之中仅每隔一个径向槽被耦合到该谐振腔上。
7.如权利要求5所述的磁控管，其中该公共谐振器包括环绕阳极外圆周的多个公共谐振腔。
8.如权利要求7所述的磁控管，其中在阳极中形成的多个径向槽之中，奇数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第一个，偶数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第二个。
9.如权利要求5所述的磁控管，其中该公共谐振腔具有一限定腔外壁的弯曲表面。
10.如权利要求1所述的磁控管，其中该多个谐振腔中的至少一个被耦合到至少一个输出端口，以输出波长为λ的电磁能。
11.如权利要求10所述的磁控管，其中该输出端口包括一对于波长为λ的电磁能通常为透明的输出窗口。
12.一种通信系统，包括：
一根据权利要求1所述的光学磁控管；以及
为了传输信息而对光学磁控管的输出进行调制的装置。
13.一种光学磁控管，包括：
一具有半径rc的圆柱形阴极；
一具有半径ra的环状阳极，该阳极与阴极共轴对齐以便限定一具有宽度wa＝ra-rc的阳极-阴极空间；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间中提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及
多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；
其中将每个谐振腔设计成在具有波长λ的频率处谐振，并且阳极表面的周长2πra大于λ。
14.如权利要求13所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括形成在阳极中的基本为等深度的多个径向槽。
15.如权利要求13所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括形成在阳极中的至少两种不同深度交替出现的径向槽。
16.如权利要求13所述的磁控管，其中该多个谐振腔包括多个径向槽，并且该多个径向槽中至少一部分被耦合到一公共谐振器上。
17.如权利要求16所述的磁控管，其中该公共谐振器包括环绕阳极外圆周的至少一个公共谐振腔。
18.如权利要求17所述的磁控管，其中该公共谐振器包括单个公共谐振腔，并且在阳极中形成的多个径向槽之中仅每隔一个径向槽被耦合到该谐振腔上。
19.如权利要求17所述的磁控管，其中该公共谐振器包括环绕阳极外圆周的多个公共谐振腔。
20.如权利要求19所述的磁控管，其中在阳极中形成的多个径向槽之中，奇数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第一个，偶数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第二个。
21.如权利要求17所述的磁控管，其中该公共谐振腔具有一限定腔外壁的弯曲表面。
22.如权利要求13所述的磁控管，其中该多个谐振腔中的至少一个谐振腔被耦合到至少一个输出端口，以输出波长为λ的电磁能。
23.如权利要求22所述的磁控管，其中该输出端口包括一对于波长为λ的电磁能通常为透明的输出窗口。
24.一种光学磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及
一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面形成的N个谐振腔的高密度阵列，N个谐振腔中的每一个具有一开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；
其中N为大于1000的整数。
25.如权利要求24所述的磁控管，其中N大于10,000。
26.如权利要求24所述的磁控管，其中N大于100,000。
27.如权利要求24所述的磁控管，其中N大于500,000。
28.一种磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场；
多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；
一环绕阳极外圆周的公共谐振器，多个谐振腔中的至少某些被耦合到该公共谐振器，以引发磁控管振荡模式工作。
29.如权利要求28所述的磁控管，其中该公共谐振器包括单个公共谐振腔，并且在阳极中形成的多个谐振腔之中，仅仅每隔一个谐振腔被耦合到公共谐振腔上。
30.如权利要求29所述的磁控管，其中该公共谐振器包括环绕阳极外圆周的多个公共谐振腔。
31.如权利要求30所述的磁控管，其中在阳极中形成的多个谐振腔之中，奇数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第一个，偶数槽被耦合到多个公共谐振腔中的第二个。
32.如权利要求28所述的磁控管，其中该公共谐振腔具有一限定腔外壁的弯曲表面。
33.如权利要求28所述的磁控管，其中该公共谐振器被耦合到一输出端口，以输出波长为λ的电磁能。
34.如权利要求28所述的磁控管，其中该磁控管包括一输出端，其输出等于或大于100千兆赫兹频率的电磁能。
35.如权利要求28所述的磁控管，其中该磁控管包括一输出端，其输出等于或小于100千兆赫兹频率的电磁能。
36.一种磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压可跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置在阳极相对端的一对磁铁，以在阳极-阴极空间中提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及
多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；
其中该阳极包括至少一上阳极和一下阳极，将上阳极的谐振腔中的每个设计成在具有第一波长的频率处谐振，并且将下阳极的谐振腔中的每个设计成在具有不同于第一波长的第二波长的频率处谐振。
37.一种磁控管，包括：
一阳极，一阴极和多个谐振腔；以及
用于将电能施加给阳极和阴极，以利用多个谐振腔将电能转变为光辐射的装置。
38.一种形成用于光学磁控管的阳极的方法，包括以下步骤：
在由第一种材料制成的圆柱形芯的外表面周围形成一光刻胶层；
图案化并蚀刻该光刻胶层以便形成多个从圆柱形芯的外表面径向延伸以限定多个槽的叶片；
使用不同于光刻胶和第一种材料的第二种材料涂覆圆柱形芯和叶片；以及
从镀层上去除叶片和圆柱形芯，以产生具有多个槽的圆柱形阳极。
39.如权利要求38所述的方法，其中通过溶剂化学地去除叶片和圆柱形芯。
40.如权利要求38所述的方法，其中通过光刻技术进行图案化的步骤。
41.如权利要求40所述的方法，其中该光刻技术为电子束蚀刻。
42.一种形成用于光学磁控管的阳极的方法，包括以下步骤：
形成一层拟由其制成阳极的材料；
图案化并蚀刻该层以形成圆柱形阳极的第一层，其具有沿阳极内圆周形成的多个谐振腔；
形成至少一个后续材料层，并且重复图案化和蚀刻步骤，以便增加阳极的垂直高度。
43.一种磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；以及
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的磁场，
其中该阳极包括并排设置的多个楔形物，以形成一其中具有阳极-阴极空间的中空形圆柱体，而且每个楔形物包括一第一凹槽，至少部分地限定一具有一暴露在阳极-阴极空间中的开口的谐振腔。
44.如权利要求43所述的磁控管，其中每个楔形物为饼形，并包括沿该楔形物的窄端形成的第一凹槽。
45.如权利要求43所述的磁控管，其中多个楔形物的第一子集中的每个楔形物均包括一第二凹槽，至少部分地限定一第一耦合端口，其用于在由楔形物所限定的谐振腔与阳极外表面之间耦合能量。
46.如权利要求45所述的磁控管，其中按偶数和奇数楔形物的交替图案设置该多个楔形物，并且多个楔形物的第一子集包括偶数楔形物。
47.如权利要求46所述的磁控管，其中多个楔形物的第二子集中的每个楔形物均包括一第三凹槽，其至少部分地限定一第二耦合端口，用于在由楔形物所限定的谐振腔与阳极的外表面之间耦合能量。
48.如权利要求47所述的磁控管，其中多个楔形物中的该第二子集包括奇数楔形物。
49.如权利要求48所述的磁控管，其中该第二耦合端口相对第一耦合端口提供一附加的1/2λ延迟，其中λ代表该磁控管的工作波长。
50.如权利要求49所述的磁控管，其中该第二耦合端口包括至少一个在第一耦合端口中不存在的弯曲。
51.如权利要求50所述的磁控管，其中该弯曲为H-平面弯曲。
52.如权利要求49所述的磁控管，其中该第二耦合端口与第一耦合端口相比其宽度更宽，以便提供一附加的1/2λ延迟。
53.如权利要求49所述的磁控管，还包括至少一个环绕阳极外表面的公共谐振腔。
54.如权利要求49所述的磁控管，其中在第一子集和第二子集其中至少之一中的每个楔形物均分别包括多个第二凹槽或第三凹槽。
55.如权利要求43所述的磁控管，其中该多个楔形物由金属材料形成。
56.如权利要求43所述的磁控管，其中该磁控管具有处于光波谱范围内的一工作波长λ。
57.一种磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；以及
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的磁场，
其中该阳极包括多个相互层叠在顶上的垫圈形层，以便形成一其中具有阳极-阴极空间的中空形圆柱体，并且多个层中的每一层包括沿内径的多个凹槽，其与多个层中其他层的凹槽对齐，以沿圆柱体的轴限定多个谐振腔，每个谐振腔具有一开向阳极-阴极空间的开口。
58.如权利要求57所述的磁控管，其中该多个层的第一子集中的每个层均包括至少一个第一耦合端口，用于在由该层所限定的一个谐振腔与阳极的外表面之间耦合能量。
59.如权利要求58所述的磁控管，其中将该多个层设置成偶数和奇数层图案交替出现，并且该多个层的第一子集包括偶数层。
60.如权利要求59所述的磁控管，其中该多个层的第二子集中的每个层均包括至少一个第二耦合端口，用于在由该层所限定的一个谐振腔与阳极的外表面之间耦合能量。
61.如权利要求60所述的磁控管，其中该多个层中的第二子集包括奇数层。
62.如权利要求61所述的磁控管，其中该第二耦合端口相对第一耦合端口提供一附加的1/2λ延迟，其中λ代表该磁控管的工作波长。
63.如权利要求62所述的磁控管，其中该第二耦合端口包括至少一个在第一耦合端口中不存在的弯曲。
64.如权利要求63所述的磁控管，其中该至少一个弯曲处于相应层的平面内。
65.如权利要求63所述的磁控管，其中该弯曲为H-平面弯曲。
66.如权利要求57所述的磁控管，其中多个层中的每一层均包括至少一个第一耦合端口，用于在由该层所限定的一个谐振腔与阳极的外表面之间耦合能量，并且包括至少一个第二耦合端口，用于在由该层所限定的另一个谐振腔与阳极的外表面之间耦合能量，并且对于多个相邻层该至少一个第一耦合端口组合以产生一组合的第一耦合端口，与由对于多个相邻层的至少一个第二耦合端口组合而形成的组合的第二耦合端口相比，其宽度相对较宽。
67.如权利要求66所述的磁控管，其中该组合的第一耦合端口相对该组合的第二耦合端口提供一附加的1/2λ延迟，其中λ代表该磁控管的工作波长。
68.如权利要求57所述的磁控管，还包括至少一个环绕阳极外表面的公共谐振腔。
69.如权利要求57所述的磁控管，其中通过设置具有导电侧壁的波导元件以限定第一和第二耦合端口来形成多个层中的每一个。
70.如权利要求57所述的磁控管，其中多个层中的每一层均为平版印刷所形成的层。
71.如权利要求57所述的磁控管，其中该磁控管具有处于光波谱内的工作波长λ。
72.一种磁控管，包括：
由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；
用于在阳极与阴极之间施加电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；
设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的磁场；
多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；以及
一环绕阳极外圆周的公共谐振器，至少多个谐振腔中的某些谐振腔通过耦合端口耦合到该公共谐振器上，以引发磁控管振荡模式工作，
其中至少某些耦合端口相对其他耦合端口引入一附加的1/2λ延迟，其中λ为该磁控管的工作波长。
73.如权利要求72所述的磁控管，其中该至少某些耦合端口中的每一个包括一弯曲。
74.如权利要求73所述的磁控管，其中该弯曲处于耦合端口的H-平面内。
75.如权利要求73所述的磁控管，其中该弯曲处于耦合端口的E-平面内。
76.一种制造用于磁控管的阳极的方法，包括：
并排地设置多个楔形物，以形成一其中具有阳极-阴极空间的中空形圆柱体，并在每个楔形物中形成一第一凹槽，其至少部分地限定一具有暴露在阳极-阴极空间中的开口的谐振腔。
77.一种制造用于磁控管的阳极的方法，包括：
彼此在顶上形成多个垫圈状层，以便形成一其中具有阳极-阴极空间的中空圆柱体，并在多个层的每一层中形成多个沿内径的凹槽，其与多个层中其他层的凹槽对齐，以沿圆柱体的轴限定多个谐振腔，每个谐振腔均具有一开向阳极-阴极空间的开口。
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